JP2019192664A - Semiconductor device and manufacturing method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は半導体装置およびその製造方法に係り、特に、放射線量の高い環境に曝される半導体装置に関する。 The present invention relates to a semiconductor device and a manufacturing method thereof, and more particularly to a semiconductor device exposed to an environment with a high radiation dose.
現在、製造されている工業品の多くはケイ素(以下、Siとする)を材料とした半導体素子を採用し、Siの発展と共に大きく性能を向上させてきた。一方で、高放射線場などの過酷環境に曝される製品では汎用Siデバイスが適用できないため、過酷環境で動作する半導体素子の開発が待たれている。 Currently, many of the manufactured industrial products employ semiconductor elements made of silicon (hereinafter referred to as Si), and have greatly improved performance with the development of Si. On the other hand, since general-purpose Si devices cannot be applied to products exposed to harsh environments such as high radiation fields, development of semiconductor elements that operate in harsh environments is awaited.
特許文献1(特開平5−55475号公報)には、半導体基板の上面に形成された溝内に埋め込まれた素子分離絶縁膜と、当該素子分離絶縁膜により分離されたMOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)が記載されている。 Patent Document 1 (Japanese Patent Laid-Open No. 5-55475) discloses an element isolation insulating film embedded in a groove formed on the upper surface of a semiconductor substrate, and a MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field) isolated by the element isolation insulating film. Effect Transistor).
放射線が半導体デバイスに照射された場合、絶縁膜中に捕獲電荷が溜まる問題がある。この電荷により、半導体基板と絶縁膜との界面には欠陥が生じ、当該欠陥に起因してリーク電流が増大する。捕獲電荷は、当該絶縁膜が厚い箇所、および、ゲート電極と半導体基板との間において特に溜まり易い。したがって、ソース領域とドレイン領域との間に亘って、素子分離絶縁膜上にゲート電極が形成されている場合、当該ゲート電極の下のソース領域とドレイン領域との間では界面欠陥が生じ易くなり、リーク電流が流れる問題が生じる。 When the semiconductor device is irradiated with radiation, there is a problem that trapped charges accumulate in the insulating film. Due to this charge, a defect is generated at the interface between the semiconductor substrate and the insulating film, and a leakage current increases due to the defect. The trapped charges are particularly liable to be accumulated particularly in a portion where the insulating film is thick and between the gate electrode and the semiconductor substrate. Therefore, when a gate electrode is formed on the element isolation insulating film between the source region and the drain region, an interface defect is likely to occur between the source region and the drain region under the gate electrode. This causes a problem of leakage current.
本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。 The above and other objects and novel features of the present invention will be apparent from the description of this specification and the accompanying drawings.
本願において開示される実施の形態のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、次のとおりである。 Of the embodiments disclosed in the present application, the outline of typical ones will be briefly described as follows.
代表的な実施の形態による半導体装置は、半導体基板の上面に形成されたソース領域およびドレイン領域と、半導体基板上のゲート電極とを有するトランジスタにおいて、半導体基板上の素子分離絶縁膜と重なり、ゲート電極と一体となったゲート引き出し配線を、ソース領域またはドレイン領域に対し平面視で離間した位置に配置するものである。 A semiconductor device according to a typical embodiment is a transistor having a source region and a drain region formed on an upper surface of a semiconductor substrate and a gate electrode on the semiconductor substrate, and overlaps with an element isolation insulating film on the semiconductor substrate. The gate lead wiring integrated with the electrode is disposed at a position separated from the source region or the drain region in plan view.
代表的な実施の形態によれば、半導体装置の信頼性を向上させることができる。特に、γ線の被曝により絶縁膜中に蓄積された捕獲電荷に起因してリーク電流が生じることを防ぐことができる。 According to the representative embodiment, the reliability of the semiconductor device can be improved. In particular, leakage current due to trapped charges accumulated in the insulating film due to exposure to γ rays can be prevented.
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一の機能を有する部材には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。また、実施の形態では、特に必要なときを除き、同一または同様な部分の説明を原則として繰り返さない。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. Note that components having the same function are denoted by the same reference symbols throughout the drawings for describing the embodiments, and the repetitive description thereof will be omitted. In the embodiments, the description of the same or similar parts will not be repeated in principle unless particularly necessary.
また、符号「−」および「+」は、導電型がn型またはp型の不純物の相対的な濃度を表しており、例えばn型不純物の場合は、「n−」、「n」、「n+」の順に不純物濃度が高くなる。 The symbols “ − ” and “ + ” represent the relative concentrations of impurities of n-type or p-type conductivity. For example, in the case of n-type impurities, “n − ”, “n”, “ The impurity concentration increases in the order of “n + ”.
(実施の形態1)
<半導体装置の構造>
以下では、放射線に曝される環境で使用される半導体装置において、放射線被曝に起因するリーク電流の発生を防ぎ、半導体装置の信頼性を向上させることについて説明する。
(Embodiment 1)
<Structure of semiconductor device>
Hereinafter, in a semiconductor device used in an environment exposed to radiation, description will be given of preventing the occurrence of leakage current due to radiation exposure and improving the reliability of the semiconductor device.
図1に、本発明の実施の形態1である半導体装置の平面図を示し、図2および図3に、本実施の形態の半導体装置の断面図を示す。図2は、図1のA−A線における断面図であり、図3は、図1のB−B線における断面図である。図3は、ソース・ドレイン領域上のプラグと、ゲート引き出し配線とを含む断面図である。図1を含む本願の平面図では、ゲート電極を輪郭だけ示してゲート電極の下の構造を透過して示している。また、図1では、素子分離絶縁膜の輪郭だけを示し、素子分離絶縁膜を透過して素子分離絶縁膜の下の構造を示している。図1では素子分離絶縁膜を貫通する開口部の輪郭を破線で示している。これは、他の平面図でも同様である。すなわち、図で示す破線で囲まれた領域の内側はアクティブ領域であり、当該破線で囲まれた領域の外側には素子分離絶縁膜が形成されている。また、図1ではゲート絶縁膜および層間絶縁膜を示していない。 FIG. 1 is a plan view of a semiconductor device according to the first embodiment of the present invention, and FIGS. 2 and 3 are cross-sectional views of the semiconductor device according to the present embodiment. 2 is a cross-sectional view taken along line AA in FIG. 1, and FIG. 3 is a cross-sectional view taken along line BB in FIG. FIG. 3 is a cross-sectional view including plugs on the source / drain regions and gate lead-out wiring. In the plan view of the present application including FIG. 1, only the outline of the gate electrode is shown, and the structure under the gate electrode is shown transparently. In FIG. 1, only the outline of the element isolation insulating film is shown, and the structure below the element isolation insulating film is shown through the element isolation insulating film. In FIG. 1, the outline of the opening that penetrates the element isolation insulating film is indicated by a broken line. The same applies to other plan views. That is, the inside of the region surrounded by the broken line shown in the figure is the active region, and the element isolation insulating film is formed outside the region surrounded by the broken line. Further, FIG. 1 does not show the gate insulating film and the interlayer insulating film.
ここでは、nチャネル型のMOSFETについて記載するが、本願発明は、pチャネル型MOSFETにも適用することができる。pチャネル型MOSFETは、以下に説明するnチャネル型MOSFETの各半導体層の導電型を反転させることで形成することができる。これは、本実施の形態に限らず、後述する他の実施の形態でも同様である。 Although an n-channel MOSFET is described here, the present invention can also be applied to a p-channel MOSFET. A p-channel MOSFET can be formed by inverting the conductivity type of each semiconductor layer of an n-channel MOSFET described below. This is not limited to this embodiment, and the same applies to other embodiments described later.
図1および図2に示すように、本実施の形態の半導体装置は、ワイドバンドギャップ材料であるSiC(炭化ケイ素)から成る半導体基板を有している。つまり、半導体基板は、Si(シリコン)よりもバンドギャップが大きい材料から成る。半導体基板の上面には、半導体素子であるMOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor:MOS型電界効果トランジスタ)が形成されている。すなわち、本実施の形態の半導体装置は、炭化ケイ素半導体装置である。このように、半導体基板は、主面(上面)と、主面の反対側の裏面(下面)とを有しており、当該主面近傍には、複数のMOSFETが並べて形成されている。なお、図1〜図3では、MOSFETを1つのみ示している。以下では、半導体基板の主面を、半導体基板の上面と呼ぶ。 As shown in FIGS. 1 and 2, the semiconductor device of the present embodiment has a semiconductor substrate made of SiC (silicon carbide), which is a wide band gap material. That is, the semiconductor substrate is made of a material having a larger band gap than Si (silicon). On the upper surface of the semiconductor substrate, a MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) which is a semiconductor element is formed. That is, the semiconductor device of the present embodiment is a silicon carbide semiconductor device. Thus, the semiconductor substrate has a main surface (upper surface) and a back surface (lower surface) opposite to the main surface, and a plurality of MOSFETs are formed side by side in the vicinity of the main surface. 1 to 3 show only one MOSFET. Hereinafter, the main surface of the semiconductor substrate is referred to as the upper surface of the semiconductor substrate.
半導体基板は、n型のSiC基板10と、SiC基板10上に形成されたn型のエピタキシャル層(半導体層)11との積層基板により構成されている。ここでは、SiC基板10とエピタキシャル層11とを含む当該積層基板を半導体基板と呼ぶ。エピタキシャル層11の上面には、p型の半導体領域であるウェル1が形成されている。ウェル1は、エピタキシャル層11の上面から、エピタキシャル層11の途中深さに亘って、エピタキシャル層11内に形成されている。ウェル1は、エピタキシャル層11の上面にp型の不純物(例えばAl(アルミニウム))が導入された半導体領域である。また、SiC基板10の裏面に接して、例えば金属膜から成る裏面電極14が形成されている。裏面電極14は、例えばAu(金)を含む導電膜であり、半導体チップが単体デバイスであるなら、例えばドレイン電極5に電気的に接続されている。
The semiconductor substrate is configured by a laminated substrate of an n-
半導体基板の上面上には、MOSFETの周囲を囲む素子分離絶縁膜9が形成されている。素子分離絶縁膜9は、例えば酸化シリコン膜から成る。図1に破線で示すように、半導体基板の上面に沿って広がる素子分離絶縁膜9は、平面視で矩形の開口部を有している。つまり、図1において符号9は、破線で囲まれた矩形領域の内側ではなく破線で囲まれた矩形領域の外側に形成された膜を指している。素子分離絶縁膜9の当該開口部の内側の領域、つまりアクティブ領域において、半導体基板の上面には、互いに離間するソース領域3およびドレイン領域2が形成されている。ソース領域3およびドレイン領域2のそれぞれは、ウェル1の上面からウェル1の途中深さまで形成されたn+型半導体領域である。ソース領域3およびドレイン領域2は、半導体基板の上面に沿う方向であるX方向に並んで配置されている。ソース領域3およびドレイン領域2のそれぞれは、半導体基板の上面にn型の不純物(例えばN(窒素))を導入することで形成されている。
An element
なお、プラグ7は素子分離絶縁膜9を除去した箇所において半導体基板に達して形成されるため、実際には、プラグ7の直下に素子分離絶縁膜9は形成されていない。すなわち、素子分離絶縁膜9の開口部の一部とプラグ7の一部とが平面視で重なる場合、当該開口部の輪郭の一部は、プラグ7の輪郭に沿った形状となる。
Note that since the
ここで、素子分離絶縁膜9の開口部は、ソース領域3およびドレイン領域2のそれぞれの一部のみと重なっており、ソース領域3およびドレイン領域2のそれぞれの他の一部は、素子分離絶縁膜9に覆われている。また、ソース領域3およびドレイン領域2のそれぞれは、当該開口部よりもY方向における長さが長く、Y方向の当該開口部の両端よりも外側に、ソース領域3およびドレイン領域2のそれぞれの一部が延在している。このため、アクティブ領域内のみならず、アクティブ領域の外の領域、つまり、素子分離絶縁膜9と平面視で重なる領域においても、ソース領域3およびドレイン領域2はウェル1を挟んで対向している。つまり、素子分離絶縁膜9は、ソース領域3およびドレイン領域2の相互間の半導体基板の上面の一部を、開口部において露出している。Y方向は、半導体基板の上面に沿う方向であって、平面視でX方向に対し直交する方向である。
Here, the opening of the element
半導体基板の上面、つまり、ウェル1の上面では、アクティブ領域、ソース領域3およびドレイン領域2のそれぞれを囲むように、p型半導体領域から成る素子分離領域(素子分離層)8が形成されている。素子分離領域8は、エピタキシャル層11の上面にp型の不純物(例えばAl(アルミニウム))が導入された半導体領域である。素子分離領域8は、ウェル1の上面からウェル1の途中深さに亘ってウェル1内に形成されている。アクティブ領域、ソース領域3およびドレイン領域2のそれぞれと素子分離領域8とは、ウェル1を介して離間している。
On the upper surface of the semiconductor substrate, that is, the upper surface of the
アクティブ領域の半導体基板上には、素子分離絶縁膜9よりも厚さが薄いゲート絶縁膜12と、ゲート絶縁膜12上のゲート電極4とが形成されている。ゲート絶縁膜12は、上記開口部の端部である素子分離絶縁膜9と、アクティブ領域の半導体基板の上面とを覆っている。アクティブ領域内において、ソース領域3の直上の領域から、ドレイン領域2の直上の領域に亘って、ゲート電極4が形成されている。ゲート電極4はY方向に延在している。アクティブ領域の外、つまり素子分離絶縁膜9の上では、ゲート電極4のY方向の一方の端部と一体となって接続されているゲート引き出し配線(ゲート配線)16が、Y方向に延在している。ゲート引き出し配線16は、アクティブ領域側から、ウェル1および素子分離領域8のそれぞれの上を通るように延在している。
On the semiconductor substrate in the active region, a
ゲート電極4は、Y方向において、アクティブ領域内ではなく素子分離絶縁膜9の直上で終端している。つまり、ゲート電極4のY方向(ゲート幅方向)の両端部は素子分離絶縁膜9上に乗り上げている。これは、ゲート電極4の端部近傍は電界が集中しやすい領域であり、アクティブ領域内でゲート電極4および比較的薄い酸化シリコン膜などから成るゲート絶縁膜が終端していると、ゲート電極4の端部近傍で絶縁破壊が起き易いためである。つまり、ゲート電極4の端部は厚い素子分離絶縁膜9上で終端させることが望ましい。このように、ゲート電極4は素子分離絶縁膜9の開口部をY方向に跨がるように延在しており、当該開口部の外側では、ゲート電極4に電位を供給するために素子分離絶縁膜9上で延在するゲート引き出し配線16に接続されている。
The
また、ゲート電極4の幅は、Y方向(ゲート幅方向)において、ドレイン領域2およびソース領域3のそれぞれよりの幅よりも小さい。したがって、Y方向におけるゲート電極4の端部よりも外側において、ドレイン領域2およびソース領域3は互いに対向している。
The width of the
半導体基板上には、素子分離絶縁膜9、ゲート絶縁膜12およびゲート電極4を覆う層間絶縁膜13が形成されている。層間絶縁膜13は、例えば酸化シリコン膜から成り、その上面は平坦化されている。層間絶縁膜13には、層間絶縁膜13を貫通する複数の貫通孔(接続孔)が形成されている。接続孔は、ソース領域3、ドレイン領域2および素子分離領域8のそれぞれの直上に形成されている。また、図示していない領域では、延在するゲート引き出し配線16の先でゲート引き出し配線16の直上にも接続孔が形成されている。半導体基板の上面に達している接続孔は、層間絶縁膜13に加え、ゲート絶縁膜12および素子分離絶縁膜9も貫通している。
On the semiconductor substrate, an
各接続孔の内側には、プラグ7が埋め込まれている。また、層間絶縁膜13上には、プラグ7を介してドレイン領域2に電気的に接続されたドレイン電極5と、他のプラグ7を介してソース領域3に電気的に接続されたソース電極6とが形成されている。ソース電極6は、他のプラグ7を介して、素子分離領域8にも電気的に接続されている。つまり、ソース領域3と素子分離領域8とは同電位(ソース電位)となる。また、ソース領域3と素子分離領域8とに接続されたウェル1も、ソース電位となる。プラグ7、ドレイン電極5およびソース電極6のそれぞれは、例えばAl(アルミニウム)膜から成る。
A
本実施の形態の主な特徴は、X方向においてソース領域3上とドレイン領域2上に亘って形成されているゲート電極4のゲート長方向の長さ(幅)a1に比べて、X方向におけるゲート引き出し配線16の長さ(幅)b1の方が小さいことにより、ゲート引き出し配線16がソース領域3およびドレイン領域2の相互間に亘って形成されていないことにある。つまり、ここでは、素子分離絶縁膜9と重なる領域(フィールド領域)では、ソース領域3の直上から、ドレイン領域2の直上に亘って、ゲート電極4(ゲート引き出し配線16)が形成されていない。言い換えれば、ゲート電極4はソース領域3およびドレイン領域2のそれぞれと平面視で重なっているが、ゲート引き出し配線16は、ソース領域3に対し平面視で離間している。
The main feature of the present embodiment is that the length (width) a1 in the gate length direction of the
<本実施の形態の効果>
図20および図21を用いて、本実施の形態の効果について説明する。図20は、比較例の半導体装置を示す平面図であり、図21は、比較例の半導体装置を示す断面図である。図21は、図20のE−E線における断面図である。
<Effects of the present embodiment>
The effect of the present embodiment will be described with reference to FIGS. FIG. 20 is a plan view showing a semiconductor device of a comparative example, and FIG. 21 is a cross-sectional view showing the semiconductor device of a comparative example. 21 is a cross-sectional view taken along line EE in FIG.
図20および図21に示す比較例のMOSFETの構造は、Y方向に延在するゲート引き出し配線20(ゲート電極4)が、平面視で素子分離絶縁膜9と重なる領域において、ソース領域3およびドレイン領域2の間に亘って形成されている点で、本実施の形態の半導体装置と異なる。
20 and FIG. 21, the structure of the MOSFET of the comparative example is such that the
半導体装置の多くでは、Si(シリコン)を材料とした半導体素子を採用することが考えられる。一方で、高放射線場などの過酷環境に曝される産業製品では汎用Siデバイスが適用できないため、バンドギャップが大きい材料である炭化ケイ素を用いることがある。 In many semiconductor devices, it is conceivable to employ a semiconductor element made of Si (silicon). On the other hand, since general-purpose Si devices cannot be applied to industrial products exposed to harsh environments such as high radiation fields, silicon carbide, which is a material with a large band gap, may be used.
放射線が与える影響には、主に、トータルドーズ効果、はじき出し損傷効果およびシングルイベント効果の3つがあり、エネルギーレベルの高いγ線は特にトータルドーズ効果による影響が問題となる。トータルドーズ効果とは、バンドギャップよりも大きなエネルギーを吸収材(例えば半導体および絶縁膜)へ照射した際に、吸収材内で電子−正孔対が発生し、そのようにして生じたキャリアが吸収材内に蓄積されることを指す。半導体内で発生した電子−正孔対は、無電界下であれば再結合し、電界効果が働いているのであれば、拡散またはドリフトし、電流としてデバイス外へ取り出される。このため、誘起されたキャリア(電子および正孔)は半導体内で残留することなく、その影響は殆ど無視できる。 There are three main effects of radiation: a total dose effect, a sprout damage effect, and a single event effect, and γ rays with high energy levels are particularly affected by the total dose effect. The total dose effect means that when an absorber (such as a semiconductor and an insulating film) is irradiated with energy larger than the band gap, an electron-hole pair is generated in the absorber and the carriers thus generated are absorbed. Refers to accumulation in the material. The electron-hole pairs generated in the semiconductor are recombined when there is no electric field, and if the field effect is working, they are diffused or drifted and taken out of the device as current. For this reason, the induced carriers (electrons and holes) do not remain in the semiconductor, and their influence can be almost ignored.
一方、酸化膜などの絶縁材内で生成された電子と正孔は膜中の電界の影響を受け、それぞれポテンシャルエネルギーが低い方へドリフトする。正孔は電子と比較して移動度が低く、正孔捕獲中心に捕獲される確率が高いため、絶縁膜中に蓄積され易い。捕獲された正孔(捕獲電荷)は絶縁膜内で正電荷を形成するため、この結果生成される空間電場は、トランジスタのしきい値電圧を負へ変化させる。十分な量の正電荷が蓄積された場合、nチャネル型トランジスタは、ゲートに0Vが入力されても電流を流し続けるデプレッション型デバイスとなり、リーク電流が増大する。 On the other hand, electrons and holes generated in an insulating material such as an oxide film are affected by the electric field in the film and drift to lower potential energies. Holes have a lower mobility than electrons and have a high probability of being trapped in the hole trapping centers, so that they are easily accumulated in the insulating film. Since the trapped holes (capture charges) form a positive charge in the insulating film, the resultant spatial electric field changes the threshold voltage of the transistor to negative. When a sufficient amount of positive charges is accumulated, the n-channel transistor becomes a depletion type device that continues to flow current even when 0 V is input to the gate, and leakage current increases.
また、捕獲電荷の影響としては、次のようなものもある。絶縁膜内に捕獲電荷が蓄積されると、絶縁膜と半導体層との界面に欠陥が誘起され、しきい値電圧の変動、および、キャリアの移動度低下などの問題が起きる。欠陥密度が増大すると、欠陥を介して流れるオフリーク電流も増大するため、しきい値電圧の変動などのパラメータ不良の問題、および、SN(シグナル−ノイズ)比を確保できない問題などの機能的な不良を発生させる。 Further, the influence of trapped charges includes the following. When trapped charges are accumulated in the insulating film, defects are induced at the interface between the insulating film and the semiconductor layer, causing problems such as fluctuations in threshold voltage and lower carrier mobility. As the defect density increases, the off-leakage current that flows through the defect also increases, so that functional defects such as parameter failure problems such as threshold voltage fluctuations and a problem that the SN (signal-noise) ratio cannot be secured. Is generated.
SiC(炭化ケイ素)はSi(シリコン)とC(炭素)で構成される化合物半導体であり、バンドギャップがSiと比較し3倍程度大きい。このため、半導体と絶縁膜との界面に形成される界面準位で、半導体側に形成されるものについては、その準位を介して流れるリーク電流の増大を抑制することができる。しかし、絶縁膜についてはSiデバイスと同じ材料を用いることが多く、積算線量の増大に伴う捕獲電荷の増加がリーク電流に悪影響を及ぼすことが懸念される。 SiC (silicon carbide) is a compound semiconductor composed of Si (silicon) and C (carbon), and its band gap is about three times larger than Si. For this reason, an interface level formed at the interface between the semiconductor and the insulating film and formed on the semiconductor side can suppress an increase in leakage current flowing through the level. However, the same material as the Si device is often used for the insulating film, and there is a concern that an increase in trapped charge accompanying an increase in accumulated dose may adversely affect the leakage current.
図20および図21に示す比較例の半導体装置では、ゲート電極4は素子を区画する素子分離絶縁膜9に乗り上げる構造となっている。比較例の半導体装置にγ線を照射した場合、素子分離絶縁膜9を含む絶縁膜中には正孔−電子対が生成される。生成されるキャリア数は絶縁膜の厚さに依存して増加するため、素子分離絶縁膜9と半導体基板との界面では、アクティブ領域のゲート絶縁膜12内よりも多くの捕獲電荷が蓄積される。これは、素子周辺(フィールド領域)、つまり素子分離絶縁膜9が形成された領域において界面欠陥がより誘起され易く、リーク電流がより発生し易いことを意味している。図21には、正孔を黒丸で示し、界面欠陥を×で示している。
In the semiconductor device of the comparative example shown in FIGS. 20 and 21, the
本発明者らは、比較例のMOSFETを構成する各絶縁膜に外部より3MV/cmを印加した条件で50kGyのγ線を照射する実験を行った。その結果、1MV/cmにおける相互コンダクタンスが、界面欠陥に起因して3桁以上増加することを見出した。相互コンダクタンスは抵抗の逆数を示しているため、同じ電界強度であるなら、相互コンダクタンスが大きいほど電流が大きいことを示している。つまり、積算線量が十分に高ければ、SiCでもオフリーク電流が増大することが分かる。 The present inventors conducted an experiment of irradiating 50 kGy of γ rays under the condition that 3 MV / cm was applied from the outside to each insulating film constituting the MOSFET of the comparative example. As a result, it was found that the mutual conductance at 1 MV / cm increased by 3 orders of magnitude or more due to interface defects. Since the mutual conductance indicates the reciprocal of the resistance, if the mutual electric field strength is the same, the larger the mutual conductance is, the larger the current is. That is, it can be seen that if the integrated dose is sufficiently high, the off-leakage current increases even with SiC.
上記のように放射線被曝により特性変動したデバイスを300℃でアニール処理すると、相互コンダクタンス特性はγ線を照射する前の波形と重なる。これは、欠陥を誘起していた絶縁膜中の捕獲電荷が取り除かれた影響によりオフリークが低減されたことを意味している。すなわち、γ線照射環境下において長期にわたる高い信頼性を得るためには、絶縁膜中に捕獲される正電荷を減少させることも重要である。しかし、特性変動したデバイスを300℃でアニール処理することが困難である場合もある。 As described above, when a device whose characteristics are changed by radiation exposure is annealed at 300 ° C., the mutual conductance characteristics overlap with the waveform before irradiating γ rays. This means that off-leakage has been reduced due to the removal of trapped charges in the insulating film that has induced defects. That is, in order to obtain long-term high reliability under the γ-ray irradiation environment, it is also important to reduce the positive charges trapped in the insulating film. However, it may be difficult to anneal the device whose characteristics have changed at 300 ° C.
そこで、本実施の形態では、リーク電流の原因となる界面欠陥が生じた場合に、界面欠陥がドレイン−ソース間を跨がないようにすることで、リーク電流の発生を防ぐことを可能としている。すなわち、本実施の形態では、図1〜図3に示すように、放射線の被曝に起因してゲート電極4と半導体基板との間の素子分離絶縁膜9に電荷が蓄積された際、電荷の蓄積に起因してフィールド領域のソース領域3およびドレイン領域2間でリーク電流が流れることを防ぐことができる。
Therefore, in the present embodiment, when an interface defect that causes a leakage current occurs, the generation of the leakage current can be prevented by preventing the interface defect from straddling between the drain and the source. . That is, in this embodiment, as shown in FIGS. 1 to 3, when charge is accumulated in the element
つまり、放射線(γ線)が照射された半導体装置では、ゲート電極と半導体基板(ウェル)との間の厚い素子分離絶縁膜内に正電荷が溜まり易い。このため、図20に示す比較例のように、素子分離絶縁膜9が形成された領域(フィールド領域)において、ソース領域3およびドレイン領域2の間に亘ってゲート電極4(ゲート引き出し配線20)が形成されている場合、ゲート電極4(ゲート引き出し配線20)の直下の素子分離絶縁膜9内に正孔が蓄積され、ゲート電極4の直下の素子分離絶縁膜9と半導体基板との間に界面欠陥が生じる。フィールド領域においてソース領域3およびドレイン領域2の間に亘ってゲート電極4が形成されている比較例では、ソース領域3およびドレイン領域2の間に亘って界面欠陥が形成されるため、ソース領域3およびドレイン領域2間にリーク電流の流れる経路であるチャネル層が形成される。
That is, in a semiconductor device irradiated with radiation (γ rays), positive charges are likely to accumulate in a thick element isolation insulating film between the gate electrode and the semiconductor substrate (well). Therefore, as in the comparative example shown in FIG. 20, in the region (field region) where the element
これに対し、本実施の形態では、フィールド領域のゲート電極4、つまり、素子分離絶縁膜9の直上のゲート引き出し配線16のX方向の長さb1を、アクティブ領域内のゲート電極4のX方向(ゲート長方向)の長さa1より小さくしている。言い換えれば、素子分離絶縁膜9と平面視で重なる領域(フィールド領域)において、ゲート電極4(ゲート引き出し配線16)は、ソース領域3およびドレイン領域2間に亘って形成されていない。つまり、ゲート引き出し配線16は、ソース領域3またはドレイン領域2のいずれか一方と平面視で接しているとしても、他方とは平面視で離間している。言い換えれば、ゲート引き出し配線16は、平面視でソース領域3またはドレイン領域2のいずれか一方と離間している。すなわち、素子分離絶縁膜9と平面視で重なり、ゲート電極4と一体となっているゲート引き出し配線16を、ゲート電極4から露出する領域において、平面視でドレイン領域2およびソース領域3の相互間に跨がらないように形成している。
In contrast, in the present embodiment, the length b1 in the X direction of the
このため、放射線被曝によりゲート電極4(ゲート引き出し配線16)の直下の素子分離絶縁膜9内に正孔が蓄積され、素子分離絶縁膜9と半導体基板との界面に欠陥が生じたとしても、ソース領域3およびドレイン領域2間に亘る界面欠陥は形成されない。よって、ソース領域3およびドレイン領域2間にリークパスが形成されないため、リーク電流(オフリーク電流)の発生を防ぐことができる。また、界面欠陥の発生に起因するしきい値電圧の変動およびキャリアの移動度低下などの問題が起きることを防ぐことができ、SN(シグナル−ノイズ)比の確保も容易となる。以上より、半導体装置の信頼性を向上させることができる。
For this reason, even if holes are accumulated in the element
本実施の形態では、図1に示すゲート電極4のゲート幅がドレイン領域2およびソース領域3のそれぞれの幅よりも小さく、Y方向におけるゲート電極4の端部よりも外側において、ドレイン領域2およびソース領域3は互いに対向している場合について説明した。これに対し、ゲート電極4のY方向のゲート幅が、ドレイン領域2およびソース領域3のそれぞれのY方向の幅よりも長くてもよい。つまり、平面視において、ドレイン領域2およびソース領域3のそれぞれのY方向の端部よりも外側に、ゲート電極4のY方向の端部が突出していてもよい。この場合、本実施の形態の半導体装置では、平面視でゲート電極4のY方向の端部の外側を回り込むようにドレイン領域2およびソース領域3の相互間のリークパスが形成されることを防ぐことができる。つまり、リーク電流の発生を防ぐことができる。ただし、このような構成よりも、図1に示すようにゲート電極4のゲート幅が、Y方向のソース領域3およびドレイン領域2のそれぞれの幅より小さい場合の方が、リーク電流の抑制効果は高い。
In the present embodiment, the gate width of the
なお、本実施の形態1の半導体装置は、後述する実施の形態2の半導体装置と平面レイアウトが異なるが、実施の形態2の半導体装置と同様の製造方法により形成することができる。よって、ここでは本実施の形態1の半導体装置の製造方法の説明は省略する。 The semiconductor device of the first embodiment can be formed by the same manufacturing method as the semiconductor device of the second embodiment, although the planar layout is different from that of the semiconductor device of the second embodiment to be described later. Therefore, the description of the manufacturing method of the semiconductor device of the first embodiment is omitted here.
<変形例>
図4に、本実施の形態1の半導体装置の変形例の平面図を示す。図4に示す構造は、図1に示す構造に比べて、ゲート引き出し配線16のレイアウトのみが異なる。
<Modification>
FIG. 4 shows a plan view of a modification of the semiconductor device according to the first embodiment. The structure shown in FIG. 4 differs from the structure shown in FIG. 1 only in the layout of the gate lead-
すなわち、ゲート引き出し配線16の数は複数本であってもよい。ここでは、複数のゲート引き出し配線16のうちの1つはソース領域3と重なり、複数のゲート引き出し配線16のうちの他の1つはドレイン領域2と重なっているが、それらの2つのゲート引き出し配線16同士の間は離間している。ここでも、2つのゲート引き出し配線16のそれぞれは、平面視でソース領域3またはドレイン領域2のいずれか一方と離間している。よって、2つのゲート引き出し配線16同士の間の領域の直下の素子分離絶縁膜9近傍には正孔が蓄積され難く、界面欠陥が生じ難い。このため、図1〜図3を用いて説明した構造と同様の効果を得ることができる。
That is, the number of gate lead-out
(実施の形態2)
次に、図5〜図7を用いて、本実施の形態2の半導体装置について説明する。図5に、本発明の実施の形態2である半導体装置の平面図を示し、図6および図7に、本実施の形態の半導体装置の断面図を示す。図6は、図5のC−C線における断面図であり、図7は、図5のD−D線における断面図である。
(Embodiment 2)
Next, the semiconductor device according to the second embodiment will be described with reference to FIGS. FIG. 5 shows a plan view of the semiconductor device according to the second embodiment of the present invention, and FIGS. 6 and 7 show sectional views of the semiconductor device according to the present embodiment. 6 is a cross-sectional view taken along line CC in FIG. 5, and FIG. 7 is a cross-sectional view taken along line DD in FIG.
図5〜図7に示すように、本実施の形態の半導体装置は、ドレイン領域2、ゲート電極4、ゲート引き出し配線16のそれぞれのX方向の幅が大きい点で、前記実施の形態1と異なる。また、ここでは、平面視において、ドレイン領域2とゲート電極4とが重なる部分のX方向の幅が、ソース領域3とゲート電極4とが重なる部分のX方向の幅よりも大きい点、および、ゲート引き出し配線16が、互いに対向するドレイン領域2とソース領域3との間の領域と平面視で重なっていない点で、前記実施の形態1と異なる。また、素子分離絶縁膜9の開口部のX方向の幅が小さく、X方向においてもゲート電極4の両端が素子分離絶縁膜9上に乗り上げている点で、前記実施の形態1と異なる。
As shown in FIGS. 5 to 7, the semiconductor device of the present embodiment is different from that of the first embodiment in that the width of each of the
本実施の形態では、ゲート引き出し配線16を、ソース領域3およびドレイン領域2同士の間の領域と重ねず、当該領域の横に配置することができるため、ソース領域3およびドレイン領域2同士の間が狭い場合でも、無理なくゲート引き出し配線16を最小加工寸法以上の幅で形成することができる。つまり、ゲート電極4の長さa1が仮に最小加工寸法である場合、前記実施の形態1のように、ゲート電極4のY方向の端部から、ゲート電極4よりも細いゲート引き出し配線16を延ばそうとすると、最小加工寸法よりも長さb1が小さいゲート引き出し配線16を形成することになるため、半導体装置の製造が困難となる。
In the present embodiment, the gate lead-
これに対し、ここではゲート電極4の長さa1を広げている。このため、素子分離絶縁膜9の開口部のX方向の幅が最小加工寸法である場合でも、ゲート引き出し配線16を最小加工寸法より小さい幅で形成する必要はない。よって、ゲート引き出し配線16の長さb1を大きくすることができるため、加工条件の緩和に伴う歩留り向上が可能となる。また、ゲート引き出し配線16を比較的太く形成することができるため、ゲート引き出し配線16の抵抗を低減することができる。
In contrast, the length a1 of the
また、図6に示すように、ゲート電極4はドレイン領域2上において素子分離絶縁膜9上に広く乗り上げた構成となっている。このようにゲート電極4が乗り上げた長さの分、ドレイン領域2上の接続孔とソース領域3上の接続孔との間の間隔が広くなる。よって、図7に示すように、ゲート電極4から引き出したゲート引き出し配線16をドレイン領域2上から引き出すことができる。したがって、ドレイン領域2とソース領域3との間の領域の直上にはゲート電極4(ゲート引き出し配線16)が設けられていない。言い換えれば、ゲート引き出し配線16は、ドレイン領域2とソース領域3との間の領域に対し、平面視で離間している。このため、素子分離絶縁膜9の下部においてドレイン−ソース間に界面欠陥が生成されることを防ぐことができ、前記実施の形態1に比べて、オフリーク電流をより低減することができる。
In addition, as shown in FIG. 6, the
次に、図8〜図14を用いて、本実施の形態の半導体装置の製造方法について説明する。図8〜図14は、本実施の形態の半導体装置の製造工程中の断面図である。図8〜図14は、図6と同じ位置を示す断面である。 Next, a method for manufacturing the semiconductor device of the present embodiment will be described with reference to FIGS. 8 to 14 are sectional views of the semiconductor device according to the present embodiment during the manufacturing process. 8 to 14 are cross sections showing the same positions as those in FIG.
まず、図8に示すように、上面と、上面の反対側の裏面とを有するn型のSiC基板(半導体基板)10を準備する。SiC基板10は、SiC(炭化ケイ素)から成る基板である。続いて、SiC基板10の上面上に、エピタキシャル成長法を用いて、SiCから成るn型のエピタキシャル層11を形成する。ここでは、エピタキシャル層11にn型の不純物(例えばN(窒素))を導入しながらエピタキシャル層11を成長させることにより、エピタキシャル層11を所望の不純物濃度で形成することが可能となる。
First, as shown in FIG. 8, an n-type SiC substrate (semiconductor substrate) 10 having an upper surface and a rear surface opposite to the upper surface is prepared.
次に、図9に示すように、フォトリソグラフィ技術およびイオン注入法を用いて、エピタキシャル層11の上面にp型の不純物(例えばAl(アルミニウム))を打ち込む。これにより、エピタキシャル層11の上面に、p型半導体領域である素子分離領域8を形成する。素子分離領域8は、エピタキシャル層11の上面から、エピタキシャル層11の途中深さまで達してアイソレーション領域に形成される。つまり、素子分離領域8は、後にMOSFETが形成される領域を平面視で囲むように形成される。
Next, as shown in FIG. 9, a p-type impurity (for example, Al (aluminum)) is implanted into the upper surface of the
次に、図10に示すように、フォトリソグラフィ技術およびイオン注入法を用いて、エピタキシャル層11の上面にp型の不純物(例えばAl(アルミニウム))を打ち込む。これにより、エピタキシャル層11の上面に、p型半導体領域(p型拡散層)であるウェル1を形成する。ウェル1は、素子分離領域8よりもp型不純物濃度が低く、形成深さが深い。ただし、ウェル1の下面は、エピタキシャル層11とSiC基板10との界面に達していない。素子分離領域8は、ウェル1の上面に位置し、平面視で環状の形状を有している。
Next, as shown in FIG. 10, a p-type impurity (for example, Al (aluminum)) is implanted into the upper surface of the
次に、図11に示すように、フォトリソグラフィ技術およびイオン注入法を用いて、エピタキシャル層11の上面にn型の不純物(例えばN(窒素))を高濃度で打ち込む。これにより、エピタキシャル層11の上面に、n+型半導体領域であるソース領域3およびn+型半導体領域であるドレイン領域2を形成する。ソース領域3およびドレイン領域2のそれぞれの形成深さは、ウェル1の深さよりも浅い。ソース領域3およびドレイン領域2は、ウェル1の上面において、平面視で素子分離領域8に囲まれる位置に形成する。
Next, as shown in FIG. 11, an n-type impurity (for example, N (nitrogen)) is implanted at a high concentration into the upper surface of the
次に、図12に示すように、エピタキシャル層11上に、例えばCVD(Chemical Vapor Deposition)法を用いて、比較的厚い絶縁膜を形成する。この絶縁膜は例えば酸化シリコンから成る。その後、当該絶縁膜をフォトリソグラフィ技術およびエッチング法を用いて加工(パターニング)し、これによりエピタキシャル層11の上面を露出させ、当該絶縁膜から成る素子分離絶縁膜9を形成する。ここでは、互いに対向するソース領域3およびドレイン領域2同士の間の領域を露出する開口部を素子分離絶縁膜9に形成する。
Next, as shown in FIG. 12, a relatively thick insulating film is formed on the
続いて、エピタキシャル層11上に、素子分離絶縁膜9よりも膜厚が薄いゲート絶縁膜12と、導電膜とを例えばCVD法を用いて順に形成する。ゲート絶縁膜12は例えば酸化シリコン膜から成り、導電膜は、例えばポリシリコン、Al(アルミニウム)またはW(タングステン)などから成る。続いて、フォトリソグラフィ技術およびエッチング法を用いて、上記導電膜を加工(パターニング)し、これにより、ゲート絶縁膜12の一部の上面を露出させ、当該導電膜から成るゲート電極4およびゲート引き出し配線16(図5参照)を形成する。すなわち、ゲート電極4は、ソース領域3およびドレイン領域2の相互間のエピタキシャル層11(ウェル1)の上面の直上に、ゲート絶縁膜12を介して形成される。
Subsequently, a
次に、図13に示すように、例えばCVD法を用いて、エピタキシャル層11上に層間絶縁膜13を形成する。層間絶縁膜13は、例えば酸化シリコン膜から成る。ここでは、層間絶縁膜13によりゲート電極4の側面および上面を覆い、ゲート絶縁膜12および素子分離絶縁膜9のそれぞれの上面を覆う。続いて、層間絶縁膜13をフォトリソグラフィ技術およびエッチング法を用いて加工することで、層間絶縁膜13、ゲート絶縁膜12および素子分離絶縁膜9を貫通し、エピタキシャル層11の上面を露出する複数の接続孔を形成する。各接続孔の底部では、ソース領域3、ドレイン領域2または素子分離領域8が、層間絶縁膜13、ゲート絶縁膜12および素子分離絶縁膜9から成る積層膜から露出する。
Next, as shown in FIG. 13, an
次に、図14に示すように、例えばスパッタリング法を用いて、上記接続孔内を含むエピタキシャル層11上および層間絶縁膜13上に金属膜を形成する。金属膜は、例えばAl(アルミニウム)から成り、上記複数の接続孔のそれぞれの内部を埋め込んでいる。続いて、層間絶縁膜13上の当該金属膜を、フォトリソグラフィ技術およびエッチング法を用いて加工し、これにより、層間絶縁膜13の上面の一部を露出させる。この加工工程により、当該金属膜を分離し、当該金属膜から成るソース電極6およびドレイン電極5を形成する。ソース電極6はソース領域3に電気的に接続され、ドレイン電極5はドレイン領域2に電気的に接続されている。
Next, as shown in FIG. 14, a metal film is formed on the
続いて、例えばスパッタリング法を用いて、SiC基板10の裏面を覆う裏面電極14を形成する。裏面電極14は、例えばAu(金)を含む導電膜であり、例えば単体デバイスであるならドレイン電極5に電気的に接続される。
Subsequently, the
以上の工程により、本実施の形態の半導体装置として、ゲート電極4、ソース領域3およびドレイン領域2を備えたnチャネル型MOSFETを形成することができる。これにより形成したMOSFETでは、図5〜図7を用いて説明した半導体装置と同様の効果を得ることができる。また、本実施の形態の半導体装置を形成する工程では、図20および図21に示す比較例の半導体装置の製造工程に比べ、新たな工程を加える必要はなく、素子のレイアウトを変更するだけで、上記効果を得ることができる。つまり、半導体装置の製造工程が煩雑になること、および、半導体装置の製造コストが増大することを避けることができる。
Through the above steps, an n-channel MOSFET including the
ここでは、ゲート電極4からの引き出し配線16をドレイン領域2の上を通るように配置することについて説明したが、引き出し配線16は、ソース領域3の上を通るように配置されていてもよい。
Here, it has been described that the lead-
(実施の形態3)
図15に、本実施の形態3である半導体装置の平面図を示す。
(Embodiment 3)
FIG. 15 is a plan view of the semiconductor device according to the third embodiment.
本実施の形態の半導体装置は、ゲート幅方向におけるゲート電極4の両端のそれぞれの近傍において、素子分離絶縁膜9の下のドレイン領域2とソース領域3との間に、ウェル1より不純物濃度が高いp型の半導体領域である高濃度層15が形成されている点で、前記実施の形態2と異なる。すなわち、ドレイン領域2とソース領域3との間のウェル1の上面であって、素子分離絶縁膜9に覆われた領域に、p型の不純物(例えばAl(アルミニウム))が導入された領域である高濃度層15が形成されている。
In the semiconductor device of the present embodiment, the impurity concentration is higher than that of the
2つの高濃度層15のそれぞれは、ゲート幅方向(Y方向)におけるゲート電極4の端部と平面視で重なっている。また、高濃度層15のY方向の端部であって、ゲート電極4側の端部は、素子分離絶縁膜9の開口部内のアクティブ領域と平面視で重なっている。高濃度層15は、ウェル1を介して素子分離領域8と電気的に接続されているため、ソース領域3および素子分離領域8と同電位となる。つまり、高濃度層15はソース領域3と電気的に接続されている。
Each of the two
上述した構成により、電界が集中し易いゲート電極4のゲート幅方向の端部において捕獲電荷の蓄積が促進されても、ウェル1の主表面においてチャネル層が形成されることを抑制できる。このため、前記実施の形態2に比べて、リーク電流の発生をさらに抑制できる。
With the configuration described above, it is possible to suppress the formation of a channel layer on the main surface of the
(実施の形態4)
図16に、本実施の形態4である半導体装置の平面図を示す。
(Embodiment 4)
FIG. 16 is a plan view of the semiconductor device according to the fourth embodiment.
本実施の形態の半導体装置は、ソース領域3と電気的に接続されたソース電極6の一部が、高濃度層15と平面視で重なっている点で前記実施の形態3と異なる。このような構成により、電界が集中するゲート電極4の端部から漏れる電界に起因して素子分離絶縁膜9に蓄積される捕獲電荷を低減することができる。このため、前記実施の形態3に比べ、さらにリーク電流を低減できる。
The semiconductor device of this embodiment is different from that of
ここで、図22に、ゲート電圧とゲートおよび酸化膜の容量比との関係の変化をグラフで示す。図22に示すグラフは、本発明者らが行った実験の結果であって、半導体装置を構成する絶縁膜に3MV/cmを印加した条件でγ線を照射したSiCデバイスのCVg特性(フラットバンド電圧特性)を示すものである。図22に実線で示すグラフは、γ線照射前のフラットバンド電圧特性を示すものであり、破線で示すグラフは、γ線照射後のフラットバンド電圧特性を示すものである。図22の縦軸のゲート容量Cgは、ゲート電極の容量であり、当該縦軸の酸化膜容量Coxは、絶縁膜の容量である。 Here, FIG. 22 is a graph showing a change in the relationship between the gate voltage and the capacitance ratio of the gate and the oxide film. The graph shown in FIG. 22 is a result of an experiment conducted by the present inventors, and shows a CVg characteristic (flat band) of an SiC device irradiated with γ rays under the condition that 3 MV / cm is applied to an insulating film constituting a semiconductor device. Voltage characteristics). The graph shown by the solid line in FIG. 22 shows the flat band voltage characteristic before γ-ray irradiation, and the graph shown by the broken line shows the flat band voltage characteristic after γ-ray irradiation. The gate capacitance Cg on the vertical axis in FIG. 22 is the capacitance of the gate electrode, and the oxide film capacitance Cox on the vertical axis is the capacitance of the insulating film.
図22に示すように、100kGyのγ線を照射した後のフラットバンド電圧は、照射前と比較して6.5V負側へシフトしている。これは、放射線により絶縁膜中で励起した電子−正孔対が、絶縁膜中の電界により分離され、絶縁膜と半導体層との界面で正孔がトラップされたことを示している。 As shown in FIG. 22, the flat band voltage after irradiating 100 kGy of γ-rays is shifted to the 6.5 V negative side compared to before irradiation. This indicates that electron-hole pairs excited in the insulating film by radiation are separated by an electric field in the insulating film, and holes are trapped at the interface between the insulating film and the semiconductor layer.
また、図23に、ゲート電圧とゲートおよび酸化膜の容量比との関係の変化をグラフで示す。図23は、本発明者らが行った実験の結果であって、半導体装置を構成する絶縁膜に電界を印加せずにγ線を照射したSiCデバイスのCVg特性を示すものである。図23に実線で示すグラフは、γ線照射前のフラットバンド電圧特性を示すものであり、破線で示すグラフは、γ線照射後のフラットバンド電圧特性を示すものである。図23の縦軸のゲート容量Cgは、ゲート電極の容量であり、当該縦軸の酸化膜容量Coxは、絶縁膜の容量である。 FIG. 23 is a graph showing a change in the relationship between the gate voltage and the capacitance ratio of the gate and the oxide film. FIG. 23 shows the result of an experiment conducted by the present inventors and shows the CVg characteristics of an SiC device irradiated with γ rays without applying an electric field to an insulating film constituting a semiconductor device. A graph indicated by a solid line in FIG. 23 indicates a flat band voltage characteristic before γ-ray irradiation, and a graph indicated by a broken line indicates a flat band voltage characteristic after γ-ray irradiation. The gate capacitance Cg on the vertical axis in FIG. 23 is the capacitance of the gate electrode, and the oxide film capacitance Cox on the vertical axis is the capacitance of the insulating film.
図23に示すように、γ線を100kGy照射した素子のCV波形は照射前と殆ど一致しており、絶縁膜中の捕獲電荷の蓄積が確認されなかった。これは、絶縁膜に電界を印加していない場合、放射線により励起されたキャリアはドリフトできず、再結合確率が高くなるためである。このため、絶縁膜中の正孔は絶縁膜と半導体層との界面でトラップされ難くなっており、フラットバンド電圧は殆ど変化しなかった。 As shown in FIG. 23, the CV waveform of the element irradiated with 100 kGy of γ rays almost coincided with that before irradiation, and accumulation of trapped charges in the insulating film was not confirmed. This is because when an electric field is not applied to the insulating film, carriers excited by radiation cannot drift and the recombination probability increases. For this reason, holes in the insulating film are hardly trapped at the interface between the insulating film and the semiconductor layer, and the flat band voltage hardly changes.
以上に示した2つのグラフより、電界が印加されていない絶縁膜であれば、放射線が照射されたとしても、正電荷が蓄積され難いことが分かる。 From the two graphs shown above, it can be seen that, if an insulating film is not applied with an electric field, it is difficult to accumulate positive charges even when irradiated with radiation.
図16に示すように、本実施の形態の高濃度層15は、ウェル1および素子分離領域8を介してソース電極6と電気的に接続されており、高濃度層15とソース電極6との間に挟まれた絶縁膜には殆ど電界が掛からない。このため、ゲート電極4から素子分離絶縁膜9および層間絶縁膜13(図6参照)などに電界が漏れたとしても、平面視で互いに重なる高濃度層15とソース電極6とに挟まれた領域においては界面欠陥が発生し難いため、リーク電流を抑制することができる。つまり、ソース領域3およびドレイン領域2の間の高濃度層15上の絶縁膜(例えば素子分離絶縁膜9)を、互いに同電位の高濃度層15とソース電極6とにより挟むことで、ソース領域3およびドレイン領域2の間でリークパスとなる界面欠陥が生じることを防ぐことができる。よって、前記実施の形態3に比べ、リーク電流の発生を防ぐことができる。
As shown in FIG. 16, the
<変形例1>
図17に、本実施の形態4の変形例1である半導体装置の平面図を示す。図17に示すように、高濃度層15は、素子分離領域8と接していてもよい。これにより、高濃度層15は素子分離領域8と電気的により低抵抗で接続される。このような構成とすることで、高濃度層15とソース電極6との間に設けられた絶縁膜(例えば素子分離絶縁膜9)の電界がより緩和されるため、捕獲電荷の蓄積を、図16に示した構造に比べて低減できる。
<
FIG. 17 is a plan view of a semiconductor device that is a first modification of the fourth embodiment. As shown in FIG. 17, the
<変形例2>
図18に、本実施の形態4の変形例2である半導体装置の平面図を示す。図18に示すように、高濃度層15と平面視で重なり、高濃度層15と同電位となる電極は、ソース電極6でなくてもよい。ソース電極6およびドレイン電極5とは絶縁され、ソース電極6およびドレイン電極5とは離間している電極17が、高濃度層15と平面視で重なって形成されている。電極17は、ソース電極6およびドレイン電極5と同じ工程で形成することができる金属パターンから成り、ソース電極6およびドレイン電極5と同じ高さに形成されている。
<
FIG. 18 is a plan view of a semiconductor device that is a second modification of the fourth embodiment. As shown in FIG. 18, the electrode overlapping the
電極17には、高濃度層15と同じ電位が印加される。例えば、高濃度層15にソース電位、つまり0Vが印加される場合には、電極17にも0Vが印加される。このように、高濃度層15上の絶縁膜の電界を緩和するために、高濃度層15と平面視で重ねて配置される電極17は、ソース電極6と異なる電極であってもよい。これにより、図16を用いて説明した半導体装置と同様の効果を得ることができる。
The same potential as that of the
(実施の形態5)
図19に、本実施の形態5である半導体装置の平面図を示す。図19に示すように、本願発明は、半導体基板の主表面において互いに近接して設けられた複数のトランジスタのそれぞれに適用してもよい。当該複数のトランジスタは、nチャネル型トランジスタ50とpチャネル型トランジスタ51であり、共に1つの集積回路を構成している。
(Embodiment 5)
FIG. 19 is a plan view of the semiconductor device according to the fifth embodiment. As shown in FIG. 19, the present invention may be applied to each of a plurality of transistors provided close to each other on the main surface of a semiconductor substrate. The plurality of transistors are an n-
nチャネル型トランジスタ50は、前記実施の形態2のMOSFETと同じ構造を有している。ただし、ドレイン電極5は、pチャネル型トランジスタ51側に延在している。pチャネル型トランジスタ51は、ドレイン電極5と重なる線を軸としてnチャネル型トランジスタ50と線対称なレイアウトを有している。すなわち、pチャネル型トランジスタ51は、半導体基板の上面に形成されたn型のウェル41をチャネル層として有し、ウェル41の上面には、p型の半導体領域であるソース領域43とドレイン領域42とが形成されている。ウェル41、ソース領域43およびドレイン領域42を囲むように、n型の半導体領域である素子分離領域48がウェル41の上面に形成されており、ウェル41上には、開口部を有する素子分離絶縁膜9が形成されている。当該開口部を覆うように、ウェル41上にはゲート絶縁膜(図示しない)を介してゲート電極44が形成されている。ドレイン領域42はプラグ7を介してドレイン電極5に接続されており、ソース領域43はプラグ7を介してソース電極46に接続されている。pチャネル型トランジスタ51は、ゲート電極44、ソース領域43およびドレイン領域42により構成されている。
The n-
ゲート電極44から引き出されたゲート引き出し配線56は、ドレイン領域42上を通ってY方向に延在しており、ドレイン領域42とソース領域43との間の領域の直上には形成されていない。このため、nチャネル型トランジスタ50およびpチャネル型トランジスタ51のそれぞれにおいて、前記実施の形態2と同様の効果を得ることができる。すなわち、耐放射線性の優れた集積回路を形成することが可能となる。
The
以上、本発明者らによってなされた発明をその実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。 As mentioned above, the invention made by the present inventors has been specifically described based on the embodiment. However, the invention is not limited to the embodiment, and various modifications can be made without departing from the scope of the invention. is there.
例えば、上述した各実施の形態およびそれらの変形例は、互いに組み合わせてもよい。 For example, the above-described embodiments and modifications thereof may be combined with each other.
1、41 ウェル
2、42 ドレイン領域
3、43 ソース領域
4、44 ゲート電極
5 ドレイン電極
6、46 ソース電極
8、48 素子分離領域
9 素子分離絶縁膜
16、20、56 ゲート引き出し配線
1, 41
Claims (10)
前記半導体基板の上面に形成され、互いに第1方向に隣り合うソース領域およびドレイン領域と、
前記半導体基板上に形成され、前記ソース領域および前記ドレイン領域の相互間の前記半導体基板の前記上面である第1領域の一部を露出する素子分離絶縁膜と、
前記素子分離絶縁膜から露出する前記第1領域の一部の上に、前記素子分離絶縁膜より薄いゲート絶縁膜を介して形成されたゲート電極と、
前記ゲート電極と一体となって接続されており、前記素子分離絶縁膜上に形成されたゲート引き出し配線と、
を有し、
前記ゲート電極、前記ソース領域および前記ドレイン領域は、電界効果トランジスタを構成しており、
前記ゲート引き出し配線は、平面視において、前記ソース領域または前記ドレイン領域の一方と離間している、半導体装置。 A semiconductor substrate;
A source region and a drain region formed on the upper surface of the semiconductor substrate and adjacent to each other in the first direction;
An element isolation insulating film formed on the semiconductor substrate and exposing a portion of the first region which is the upper surface of the semiconductor substrate between the source region and the drain region;
A gate electrode formed on a part of the first region exposed from the element isolation insulating film via a gate insulating film thinner than the element isolation insulating film;
A gate lead wiring formed integrally on the gate electrode and formed on the element isolation insulating film;
Have
The gate electrode, the source region and the drain region constitute a field effect transistor,
The semiconductor device, wherein the gate lead wiring is separated from one of the source region and the drain region in plan view.
前記ゲート引き出し配線は、前記第1領域に対し平面視で離間している、半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1,
The semiconductor device, wherein the gate lead wiring is separated from the first region in plan view.
前記半導体基板の前記上面に形成され、上面に前記ソース領域および前記ドレイン領域が形成されたウェルと、
平面視で前記ゲート電極のゲート幅方向の端部と重なる前記第1領域に形成され、前記ウェルよりも不純物濃度が高い第1半導体領域と、
をさらに有し、
前記ウェルおよび前記第1半導体領域は、前記ソース領域および前記ドレイン領域とは異なる導電型を有している、半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1,
A well formed on the upper surface of the semiconductor substrate and having the source region and the drain region formed on the upper surface;
A first semiconductor region formed in the first region overlapping with an end of the gate electrode in the gate width direction in plan view and having a higher impurity concentration than the well;
Further comprising
The semiconductor device, wherein the well and the first semiconductor region have a different conductivity type from the source region and the drain region.
前記第1半導体領域は、前記ソース領域と電気的に接続されている、半導体装置。 The semiconductor device according to claim 3.
The semiconductor device, wherein the first semiconductor region is electrically connected to the source region.
前記第1半導体領域の直上に前記素子分離絶縁膜を介して形成された第1電極をさらに有し、
前記第1電極には、前記第1半導体領域と同じ電位が印加される、半導体装置。 The semiconductor device according to claim 3.
A first electrode formed directly on the first semiconductor region via the element isolation insulating film;
The semiconductor device, wherein the same potential as that of the first semiconductor region is applied to the first electrode.
前記第1半導体領域の直上に前記素子分離絶縁膜を介して形成され、前記ソース領域と電気的に接続されたソース電極をさらに有する、半導体装置。 The semiconductor device according to claim 4.
A semiconductor device further comprising a source electrode formed directly above the first semiconductor region via the element isolation insulating film and electrically connected to the source region.
前記半導体基板の前記上面に形成され、前記ウェル、前記ソース領域および前記ドレイン領域を平面視で囲む第2半導体領域である素子分離領域をさらに有し、
前記素子分離領域は、前記ウェルと同じ導電型を有しており、
前記素子分離領域と前記第1半導体領域とは、互いに接している、半導体装置。 The semiconductor device according to claim 3.
An element isolation region which is a second semiconductor region formed on the upper surface of the semiconductor substrate and surrounds the well, the source region, and the drain region in plan view;
The element isolation region has the same conductivity type as the well,
The element isolation region and the first semiconductor region are in contact with each other.
前記ゲート電極のゲート長方向において、前記ゲート引き出し配線の長さは、前記ゲート電極の長さよりも小さい、半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1,
The semiconductor device, wherein a length of the gate lead-out wiring is smaller than a length of the gate electrode in a gate length direction of the gate electrode.
前記半導体基板は、シリコンよりもバンドギャップが大きい材料から成る、半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1,
The semiconductor device, wherein the semiconductor substrate is made of a material having a larger band gap than silicon.
(b)前記半導体基板の上面にソース領域およびドレイン領域を形成する工程、
(c)前記(b)工程の後、前記半導体基板上に第1絶縁膜を形成する工程、
(d)前記第1絶縁膜をパターニングすることで、前記ソース領域および前記ドレイン領域の相互間の前記半導体基板の前記上面である第1領域の一部を露出する開口部を備えた、前記第1絶縁膜から成る素子分離絶縁膜を形成する工程、
(e)前記第1領域および前記素子分離絶縁膜を覆うように、前記半導体基板上に、前記素子分離絶縁膜より膜厚が小さいゲート絶縁膜と、導電膜とを順に形成する工程、
(f)前記導電膜をパターニングすることで、前記導電膜から成り、前記開口部内で前記第1領域上に位置するゲート電極と、前記導電膜から成り、前記ゲート電極と一体となって接続されているゲート引き出し配線とを形成する工程と、
を有し、
前記ゲート電極、前記ソース領域および前記ドレイン領域は、電界効果トランジスタを構成しており、
前記ゲート引き出し配線は、平面視において、前記ソース領域または前記ドレイン領域の一方と離間している、半導体装置の製造方法。 (A) a step of preparing a semiconductor substrate;
(B) forming a source region and a drain region on the upper surface of the semiconductor substrate;
(C) after the step (b), forming a first insulating film on the semiconductor substrate;
(D) The first insulating film is patterned to include an opening that exposes a part of the first region that is the upper surface of the semiconductor substrate between the source region and the drain region. Forming an element isolation insulating film comprising one insulating film;
(E) a step of sequentially forming a gate insulating film having a thickness smaller than the element isolation insulating film and a conductive film on the semiconductor substrate so as to cover the first region and the element isolation insulating film;
(F) The conductive film is patterned to form the conductive film, the gate electrode located on the first region in the opening, and the conductive film, which are integrally connected to the gate electrode. Forming a gate lead-out wiring,
Have
The gate electrode, the source region and the drain region constitute a field effect transistor,
The method of manufacturing a semiconductor device, wherein the gate lead-out wiring is separated from one of the source region and the drain region in plan view.
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